Para uma raiz: verifique a mudança de sinal na bissecção, ou calcule f e f′ em Newton, e mantenha seis ou mais algarismos numa tabela de iterados.
Para um valor de tabela: interpole linearmente entre os dois pontos vizinhos.
Para uma integral: encontre h = (b − a)/n, liste f em cada nó, aplique os pesos (1, 2, …, 2, 1 para o trapézio; 1, 4, 2, …, 4, 1 para Simpson com n par) e multiplique por h/2 ou h/3.
Para uma EDO: avance a partir de t₀ com yₙ₊₁ = yₙ + h·f(tₙ, yₙ) (Euler) ou com a inclinação média (Heun), uma linha por passo, até chegar ao t pedido.
2Exercícios
1.Equações diferenciaisMédia
Uma xícara de café a 95 °C é deixada em uma sala a 24 °C. Após 14 min sua temperatura é 42 °C. Ela segue a lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Quanto tempo após o início, t, leva para chegar a 79 °C?
T0 = 95 °CTa = 24 °CT(14) = 42 °CT = 79 °C
t = min
2.Equações diferenciaisDifícil
Resolva o problema de valor inicial y′ + 3y/x = x2 para x > 0, com y(1) = 3. Encontre y(2).
y′ + 3y/x = x2y(1) = 3
y(2) =
3.IntegraisMédia
Calcule I = ∫₁5 x·ln x dx.
∫₁5 x ln x dx
I =
4.IntegraisDifícil
Calcule a área A da região limitada por y = 2x2 e y = 3x.
y = 2x2y = 3x
A =
5.DerivadasMédia
Seja f(x) = x3·ex. Calcule f′(0,5).
f(x) = x3·exx = 0,5
f′(0.5) =
6.DerivadasDifícil
Seja f(x) = x3 − 12x − 6. Calcule a abcissa x do máximo local.
f(x) = x3 − 12x − 6
x =
7.Métodos numéricosMédia
A regra do trapézio é usada para ∫02 eˣ dx. O erro é no máximo (b − a)³·M/(12n²) com M = max|f″| em [0, 2]. Encontre o menor número de faixas n que garante um erro abaixo de 0,0001.
f(x) = eˣ[a, b] = [0, 2]ε = 0,0001
n =
8.Métodos numéricosDifícil
Dê um passo do método clássico de Runge–Kutta (RK4) com h = 0,2 para y′ = t² + y², y(0) = 0,5. Encontre y₁ ≈ y(0,2).
y′ = t² + y²y(0) = 0,5h = 0,2
y1 =
3Soluções
1.Equações diferenciais
Resposta: t = 2,605 min
Equações diferenciais de primeira ordem: dy/dt = k·y tem a solução y = y₀·ekt (crescimento para k > 0, decaimento para k < 0); uma meia-vida T dá k = ln 2/T. A lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ), dá T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Uma equação linear y′ + p(x)·y = q(x) é resolvida com o fator integrante μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, então μy = ∫μq dx + C.
Constante de resfriamento
k = ln(71/18)/14 = 0,09802 min⁻¹
Tempo até atingir o valor desejado
t = ln(71/55)/0,09802 = 2,605 min
Resposta
t = 2,605 min
2.Equações diferenciais
Resposta: y(2) = 1,688
Equações diferenciais de primeira ordem: dy/dt = k·y tem a solução y = y₀·ekt (crescimento para k > 0, decaimento para k < 0); uma meia-vida T dá k = ln 2/T. A lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ), dá T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Uma equação linear y′ + p(x)·y = q(x) é resolvida com o fator integrante μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, então μy = ∫μq dx + C.
Fator integrante
μ = e∫3/x dx = x3
Integrar
(x3y)′ = x5 → x3y = 1x6/6 + C
Condição inicial
3 = 1/6 + C → C = 2,833
Calcular
y(2) = (1·26/6 + 2,833)/23 = 1,688
Resposta
y(2) = 1,688
3.Integrais
Resposta: I = 14,12
Integração por partes: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, a partir da regra do produto. Escolha como u o fator que fica mais simples quando você o deriva (uma potência de x ou ln x) e como dv o fator que você sabe integrar (eˣ, sen x, cos x ou x quando u = ln x). Para uma integral definida, calcule u·v nos dois limites: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Um fator x² exige duas rodadas.
Escolha u e dv
u = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2
Primitiva
∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4
Limites
(12,5·ln 5 − 6,25) − (0 − 0,25) = 14,12
Resposta
I = 14,12
4.Integrais
Resposta: A = 1,125
Integrais definidos: ∫ₐᵇ f(x) dx é a área com sinal entre o gráfico e o eixo x de a a b. Encontre uma primitiva F (com F′ = f) e calcule F(b) − F(a). Regra da potência: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). A área entre duas curvas é ∫(superior − inferior) dx.
Pontos de interseção
2x2 = 3x → x = 0, x = 1,5
Integrar superior menos inferior
A = [1,5x2 − 0,6667x3]01,5 = 1,125
Resposta
A = 1,125
5.Derivadas
Resposta: f′(0.5) = 1,443
Derivação: a derivada f′(x) é o declive do gráfico em x. Regra da potência: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Regra do produto: (uv)′ = u′v + uv′. Regra da cadeia: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Onde f′(x) = 0 o gráfico tem tangente horizontal: um máximo, um mínimo ou um ponto de sela.
Regra do produto
f′(x) = u′v + uv′ = ex·(3x2 + 1·x3)
Substituir
f′(0,5) = 1,649·(0,75 + 0,125) = 1,443
Resposta
f′(0,5) = 1,443
6.Derivadas
Resposta: x = −2
Derivação: a derivada f′(x) é o declive do gráfico em x. Regra da potência: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Regra do produto: (uv)′ = u′v + uv′. Regra da cadeia: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Onde f′(x) = 0 o gráfico tem tangente horizontal: um máximo, um mínimo ou um ponto de sela.
Derivada
f′(x) = 3x2 − 12 = 3·(x2 − 4)
Resolver f′(x) = 0
x = −2 ou x = 2
Qual é qual
f″(x) = 6x: negativa num máximo, positiva num mínimo.
f″(−2) = −12, f″(2) = 12
x = −2
Resposta
x = −2
7.Métodos numéricos
Resposta: n = 222
Integração numérica: divida [a, b] em n faixas de largura h = (b − a)/n com nós x₀ … xₙ. Regra do trapézio: T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + 2f₂ + … + 2fn−1 + fₙ]. Regra de Simpson (n par): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4fn−1 + fₙ]. O erro do trapézio diminui como h² (cota (b − a)h²·M/12 com M = max|f″|), o de Simpson como h⁴, de modo que Simpson costuma ser muito mais preciso com os mesmos nós.
Cota da segunda derivada
M = e2 = 7,389
Resolver em ordem a n
n² > 8·7,389/(12·0,0001) = 49260
n > 221,9 → n = 222
Resposta
n = 222
8.Métodos numéricos
Resposta: y1 = 0,5584
Solução numérica de y′ = f(t, y): o método de Euler avança ao longo da inclinação no início de cada passo: yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ). O método de Heun (Euler melhorado) faz a média da inclinação no início e numa previsão de Euler: k₁ = f(tₙ, yₙ), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁), yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂). O método clássico de Runge–Kutta (RK4) combina quatro inclinações: yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄). O erro global de Euler é proporcional a h, o de Heun a h², o de RK4 a h⁴.